Hvorfor har vi brug for at kende princippet bag lasere?
Kendskab til forskellene mellem almindelige halvlederlasere, fibre, skiver ogYAG-laserkan også bidrage til at få en bedre forståelse og deltage i flere diskussioner under udvælgelsesprocessen.
Artiklen fokuserer primært på populærvidenskab: en kort introduktion til princippet bag lasergenerering, laseres hovedstruktur og flere almindelige typer lasere.
For det første, princippet om lasergenerering
Laser genereres gennem interaktionen mellem lys og stof, kendt som stimuleret strålingsforstærkning. Forståelse af stimuleret strålingsforstærkning kræver forståelse af Einsteins koncepter om spontan emission, stimuleret absorption og stimuleret stråling, samt nogle nødvendige teoretiske grundlag.
Teoretisk grundlag 1: Bohr-modellen
Bohr-modellen beskriver primært atomernes indre struktur, hvilket gør det nemt at forstå, hvordan lasere opstår. Et atom er sammensat af en kerne og elektroner uden for kernen, og elektronernes orbitaler er ikke vilkårlige. Elektroner har kun bestemte orbitaler, hvoraf den inderste orbital kaldes grundtilstanden; hvis en elektron er i grundtilstanden, er dens energi den laveste. Hvis en elektron springer ud af en bane, kaldes den den første exciterede tilstand, og energien i den første exciterede tilstand vil være højere end i grundtilstanden; en anden bane kaldes den anden exciterede tilstand;
Grunden til at lasere kan forekomme, er fordi elektroner bevæger sig i forskellige baner i denne model. Hvis elektroner absorberer energi, kan de bevæge sig fra grundtilstanden til den exciterede tilstand; hvis en elektron vender tilbage fra den exciterede tilstand til grundtilstanden, vil den frigive energi, som ofte frigives i form af en laser.
Teoretisk grundlag 2: Einsteins teori om stimuleret stråling
I 1917 foreslog Einstein teorien om stimuleret stråling, som er det teoretiske grundlag for lasere og laserproduktion: absorption eller emission af stof er i bund og grund et resultat af interaktionen mellem strålingsfeltet og de partikler, der udgør stof, og dens kernevæsen er overgangen af partikler mellem forskellige energiniveauer. Der er tre forskellige processer i interaktionen mellem lys og stof: spontan emission, stimuleret emission og stimuleret absorption. For et system, der indeholder et stort antal partikler, sameksisterer disse tre processer altid og er tæt forbundet.
Spontan emission:
Som vist i figuren: en elektron på højenerginiveauet E2 overgår spontant til lavenerginiveauet E1 og udsender en foton med en energi på hv, og hv=E2-E1; Denne spontane og uafhængige overgangsproces kaldes spontan overgang, og de lysbølger, der udsendes af spontane overgange, kaldes spontan stråling.
Karakteristika for spontan emission: Hver foton er uafhængig, med forskellige retninger og faser, og forekomsttidspunktet er også tilfældigt. Det tilhører inkohærent og kaotisk lys, som ikke er det lys, som laseren kræver. Derfor skal lasergenereringsprocessen reducere denne type spredt lys. Dette er også en af grundene til, at bølgelængden af forskellige lasere har spredt lys. Hvis den kontrolleres godt, kan andelen af spontan emission i laseren ignoreres. Jo renere laseren er, såsom 1060 nm, jo mere er den hele 1060 nm. Denne type laser har en relativt stabil absorptionshastighed og effekt.
Stimuleret absorption:
Elektroner ved lave energiniveauer (lave orbitaler) overgår, efter at have absorberet fotoner, til højere energiniveauer (høje orbitaler), og denne proces kaldes stimuleret absorption. Stimuleret absorption er afgørende og en af de vigtigste pumpeprocesser. Laserens pumpekilde leverer fotonenergi, der får partikler i forstærkningsmediet til at overgå og vente på stimuleret stråling ved højere energiniveauer, hvorved laseren udsendes.
Stimuleret stråling:
Når elektronen bestråles med lys af ekstern energi (hv=E2-E1), exciteres den af den eksterne foton og hopper til det lave energiniveau (den høje bane løber til den lave bane). Samtidig udsender den en foton, der er nøjagtig den samme som den eksterne foton. Denne proces absorberer ikke det oprindelige excitationslys, så der vil være to identiske fotoner, hvilket kan forstås som, at elektronen spytter den tidligere absorberede foton ud. Denne luminescensproces kaldes stimuleret stråling, som er den omvendte proces af stimuleret absorption.
Når teorien er klar, er det meget simpelt at bygge en laser, som vist i figuren ovenfor: Under normale forhold med materialestabilitet er langt størstedelen af elektronerne i grundtilstanden, elektronerne i grundtilstanden, og laseren er afhængig af stimuleret stråling. Derfor er laserens struktur at tillade stimuleret absorption først, hvilket bringer elektronerne til det høje energiniveau og derefter tilvejebringer en excitation, der får et stort antal elektroner med højt energiniveau til at undergå stimuleret stråling og frigive fotoner. Ud fra dette kan en laser genereres. Dernæst vil vi introducere laserstrukturen.
Laserstruktur:
Match laserstrukturen med de tidligere nævnte lasergenereringsbetingelser én efter én:
Forekomsttilstand og tilhørende struktur:
1. Der er et forstærkningsmedium, der giver en forstærkningseffekt som laserarbejdsmedium, og dets aktiverede partikler har en energiniveaustruktur, der er egnet til at generere stimuleret stråling (primært i stand til at pumpe elektroner til højenergiorbitaler og eksistere i en vis periode, og derefter frigive fotoner i ét åndedrag gennem stimuleret stråling);
2. Der er en ekstern excitationskilde (pumpekilde), der kan pumpe elektroner fra det nedre niveau til det øvre niveau, hvilket forårsager partikelantalsinversion mellem laserens øvre og nedre niveauer (dvs. når der er flere højenergipartikler end lavenergipartikler), såsom xenonlampen i YAG-lasere;
3. Der er et resonant hulrum, der kan opnå laseroscillation, øge laserarbejdsmaterialets arbejdslængde, skærme lysbølgetilstanden, styre strålens udbredelsesretning og selektivt forstærke den stimulerede strålingsfrekvens for at forbedre monokromaticiteten (sikre, at laseren udsendes med en bestemt energi).
Den tilsvarende struktur er vist i ovenstående figur, som er en simpel struktur af en YAG-laser. Andre strukturer kan være mere komplekse, men kernen er denne. Lasergenereringsprocessen er vist i figuren:
Laserklassificering: generelt klassificeret efter forstærkningsmedium eller efter laserenergiform
Klassificering af forstærkningsmedium:
KuldioxidlaserForstærkningsmediet i kuldioxidlaseren er helium ogCO2-laser,med en laserbølgelængde på 10,6 µm, hvilket er et af de tidligste laserprodukter, der blev lanceret. Den tidlige lasersvejsning var hovedsageligt baseret på kuldioxidlaser, som i øjeblikket hovedsageligt bruges til svejsning og skæring af ikke-metalliske materialer (stoffer, plast, træ osv.). Derudover bruges den også på litografimaskiner. Kuldioxidlaser kan ikke transmitteres gennem optiske fibre og bevæger sig gennem rumlige optiske baner. Den tidligste Tongkuai var relativt god, og der blev brugt meget skæreudstyr;
YAG (yttriumaluminiumgranat) laser: YAG-krystaller doteret med neodym (Nd) eller yttrium (Yb) metalioner anvendes som laserforstærkningsmedium med en emissionsbølgelængde på 1,06 µm. YAG-laseren kan udsende højere pulser, men den gennemsnitlige effekt er lav, og peak-effekten kan nå 15 gange den gennemsnitlige effekt. Hvis det primært er en pulslaser, kan kontinuerlig output ikke opnås; men den kan transmitteres gennem optiske fibre, og samtidig øges absorptionshastigheden af metalmaterialer, og den begynder at blive anvendt i materialer med høj reflektionsevne, først anvendt i 3C-feltet;
Fiberlaser: Det nuværende mainstream-marked bruger ytterbiumdoteret fiber som forstærkningsmedium med en bølgelængde på 1060 nm. Det er yderligere opdelt i fiber- og skivelasere baseret på mediets form; fiberoptik repræsenterer IPG, mens skive repræsenterer Tongkuai.
Halvlederlaser: Forstærkningsmediet er en halvleder-PN-forbindelse, og halvlederlaserens bølgelængde er hovedsageligt 976 nm. I øjeblikket anvendes halvleder-nær-infrarøde lasere hovedsageligt til beklædning med lyspletter over 600 µm. Laserline er en repræsentativ virksomhed inden for halvlederlasere.
Klassificeret efter energiform: Pulslaser (PULSE), kvasikontinuerlig laser (QCW), kontinuerlig laser (CW)
Pulslaser: nanosekund, picosekund, femtosekund. Denne højfrekvente pulslaser (ns, pulsbredde) kan ofte opnå høj peakenergi og højfrekvent (MHZ) behandling. Den bruges primært til behandling af tynde kobber- og aluminiumsmaterialer, samt rengøring. Ved at bruge høj peakenergi kan den hurtigt smelte basismaterialet med lav virkningstid og en lille varmepåvirket zone. Den har fordele ved behandling af ultratynde materialer (under 0,5 mm).
Kvasi-kontinuerlig laser (QCW): På grund af høj repetitionshastighed og lav duty cycle (under 50%), er pulsbredden afQCW-lasernår 50 us-50 ms, hvilket udfylder hullet mellem kontinuerlig fiberlaser på kilowatt-niveau og Q-switched pulslaser; Spidseffekten af en kvasi-kontinuerlig fiberlaser kan nå 10 gange den gennemsnitlige effekt under kontinuerlig drift. QCW-lasere har generelt to tilstande, den ene er kontinuerlig svejsning ved lav effekt, og den anden er pulseret lasersvejsning med en spidseffekt på 10 gange den gennemsnitlige effekt, hvilket kan opnå tykkere materialer og mere varmesvejsning, samtidig med at varmen kontrolleres inden for et meget lille område;
Kontinuerlig laser (CW): Dette er den mest almindeligt anvendte laser, og de fleste lasere på markedet er CW-lasere, der kontinuerligt afgiver laserstråler til svejseprocesser. Fiberlasere er opdelt i single-mode og multi-mode lasere i henhold til forskellige kernediametre og strålekvaliteter og kan tilpasses forskellige anvendelsesscenarier.
Udsendelsestidspunkt: 20. dec. 2023
